DE2810598C3

DE2810598C3 - Verfahren zum Reparieren eines schmalen Risses in der Oberfläche eines Gegenstandes aus einer Superlegierung auf Nickelgrundlage

Info

Publication number: DE2810598C3
Application number: DE2810598A
Authority: DE
Inventors: Donald Lee Cincinnati Keller; David Leon Mt. Orab Resor
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-03-17
Filing date: 1978-03-11
Publication date: 1980-11-27
Also published as: DE2810598B2; DE2810598A1; IT1093421B; US4098450A; GB1591436A; SE447489B; SE8106315L; JPS577855B2; SE7805687L; FR2383750A1; JPS53115647A; SE447488B; FR2383750B1; IT7821240A0

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Reparieren eines schmalen Risses in der Oberfläche eines Gegenstandes aus einer Superlegierung auf Nickelbasis, wobei der Riß an der Oberfläche eine öffnung im Bereich von etwa 0,025 mm bis zu etwa 2,5 mm hat und ein komplexes Oxid von mindestens einem der Metalle Aluminium oder Titan enthält.

Während des Betriebes solcher Vorrichtungen, wie Gasturbinen, können manche der Bauteile z. B. durch Aufschlagen von Gegenständen, durch normale Ermüdung aufgrund der cyclischen Beanspruchung und auf andere Weise beschädigt werden. In den bei höherer Temperatur betriebenen Teilen einer solchen Vorrichtung befinden sich auch solche flügeiförmigen Bauteile, wie die Turbinenblätter und Schaufeln, die zu ersetzen sehr teuer ist und die manchmal nur kostenaufwendig zu reparieren sind. Tritt z. B. ein Riß in einem solchen

Flügelteil auf, dann können sich aufgrund des Hochtemperaturbetriebes unter oxidierenden Bedingungen Oberflächenoxide in dem Riß bilden.

Im Falle von Superlegierungen auf Nickelbasis, welche das Element Aluminium und im allgemeinen das Element Titan enthalten, schafft das Entstehen komplexer Oxide, die Aluminium und/oder Titan zusammen mit anderen Elementen der Superlegierung enthalten, ein schwieriges Problem hinsichtlich der Heilung dieses Risses. Denn das Oxid muß beseitigt werden, damit man den Riß zufriedenstellend reparieren kann. Solche komplexen Oxide lassen sich nur schlecht dadurch beseitigen, daß man das Teil einer reduzierenden Atmosphäre aussetzt, ohne daß man den Gegenstand gleichzeitig auf eine solche Temperatur erhitzt, die sich für die mechanischen Eigenschaften des Gegenstandes oder seine strukturelle Integrität nachteilig auswirken. So haben sich z. B. Versuche, solche komplexen Oxide mit Wasserstoff bei Temperaturen von weniger als etwa 1095⁰C zu reduzieren, als nicht erfolgreich erwiesen. Solche Reparaturen sind daher manchmal in der Weise ausgeführt worden, daß man den beschädigten Teil des Bauteiles ausgebohrt oder weggeschnitten und danach ersetzt hat.

In einem Vortragspapier von RGenieys mit dem Titel »Brazing in reducing fluoride-containing atmospheres«, der vor Tne British Association for Brazing and Soldering, First International Brazing and Soldering Conference in London, am 27. bis 29. November 1972 gehalten worden ist, wurde über ein Verfahren zum Reduzieren gewisser Oxide durch Inberührungbringen mit reduzierenden Fluoridatmosphären unter gleichzeitig ausgeführtem Löten der zu verbindenden Teile berichtet Auf dieses Vortragspapier wird hiermit Bezug genommen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren zu verbessern.

Nach einer Ausführungsform wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die folgenden Maßnahmen:

Einwirkung von gasförmigen aktiven Fluoridionen auf das Oxid, während der Gegenstand auf eine Temperatur von nicht mehr als 1095⁰C erhitzt wird,

Aufbringen einer pulverförmigen Reparaturlegierung in den Riß und auf die umgebende Oberfläche des Gegenstandes,

Schaffen eines Vakuums um den Gegenstand und Erhitzen des Gegenstandes mit der aufgetragenen Reparaturlegierung auf eine Temperatur und während einer Dauer, um die Reparaturlegierung zu schmelzen und unter Ausfüllung des Risses in den Riß fließen und in die Wandungen des Risses diffundieren zu lassen.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Aufgabe gelöst durch die folgenden Maßnahmen:

druckdichtes Verschließen der öffnung des Risses an der Gegenstandsoberfläche und

Diffusionsverbinden der Wandungen des Risses mittels heißen isostatischen Pressens.

Vorteilhaft wird der Gegenstand bei jeder der beiden Ausführungsformen während V₄ bis zu 4 Stunden auf eine Temperatur von 870 bis 1095⁰C erhitzt

Beim Betrieb und der Wartung von Gasturbinen für Flugzeuge bringt die Erfindung viele Vorteile, da man die Schaufelteile, die in dem heißeren Turbinenabschnitt benutzt werden, reparieren kann und sie nicht ersetzen

muß. Solche Teile, die während des Betriebes z. B. durch Beschädigung durch Fremdobjekte unbrauchbar geworden sind, können durch wiederholte Reparatur die mehrfache Gebrauchsdauer gegenüber der bisher üblichen Auswechselzeit erreichen. Damit wird eine s beträchtliche Kostenersparnis erzielt

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die komplexen Oxide aus den Rissen in Gegenständen aus Nickellegierung entfernt, die sich bereits im Betrieb befunden haben, indem man diese Gegenstände voi der eigentlichen Reparatur gasförmigen aktiven Fluoridionen bei Temperaturen aussetzt, die geringer sind als solche, welche die mechanischen Eigenschaften und strukturelle Integrität des Gegenstandes nachteilig beeinflussen würden und die daher nicht höher sind als 1095⁰C, wobei das Ganze in einer nichtoxidierenden Atmosphäre stattfindet Da das gasförmige aktive Fluoridion in die engen Risse eindringen kann, die Spalte und andere schwer zu erreichende Vertiefungen enger Toleranz einschließen, wobei diese Risse oder Spalte an der Oberfläche öffnungen im Bereich von etwa 0,025 bis etwa 0,25 mm aufweisen, besteht keine Notwendigkeit mühsame und teure Operationen auszuführen; denn die erste Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Reinigung, beseitigt die Oxide von den inneren Oberflächen von Rissen, Spalten, Kühllöchern usw. Daß die Oxide tatsächlich entfernt werden, ist sowohl durch metallographische Untersuchungen als auch elektronenmikroskopische Analyse der Spaltoberflächen vor und nach dem Reinigen bestätigt worden. Diese Untersuchungen haben weiter den Nutzen bestätigt, der sich aus der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reparaturverfahrens ergibt, bei dem eine Reparaturlegierung in einem Vakuum in die gesäuberte Spalte hineinfließt.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine diagrammartige Schnittansicht einer Retorte, wie sie bei der Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens brauchbar ist,

F i g. 2 eine graphische Darstellung des Ergebnisses einer Abtastung mit dem Elektronenmikroskop auf einer typischen Spaltoberfläche vor dem Säubern,

F i g. 3 eine graphische Darstellung des Abtastergebnisses mit dem Elektronenmikroskop einer typischen Spaltoberfläche nach dem Reinigen mit gasförmigem aktiven Fluoridion gemäß der Erfindung und

Fig.4 eine diagrammartige Teilschnittansicht eines Spaltes in einer Superlegierungsoberflächs, oberhalb dessen eine Reparaturlegierung angeordnet worden ist. so

Das erfindungsgemäße Verfahren kann unter Anwendung einer relativ einfachen Einrichtung zum Wärmebehandeln, wie einer Retorte mit Wasserstoffatmosphäre, in einen Luftofen ausgeführt werden. Eine solche Vorrichtung ist diagrammartig in F i g. 1 dargestellt, in der die Retorte allgemein mit 10 bezeichnet ist. Ein Gegenstand, wie eine Turbinenschaufel 12, ist in einer Behandlungskammer 14 der Retorte angeordnet. In Verbindung mit dieser Behandlungskamrper steht eine Kammer 16 mit der Fluoridionenquelle, die eine Strömung gasförmiger akt'"pr Fluoridionen in die Behandlungskammer 14 '.!..«.r.. Neben der in Fig. 1 dargestellten besonderen Ausführungsform können auch andere Einrichtungen benutzt werden, um gasförmige aktive Fluordionen in die Behandlungskammer 14 und in Berührung mit der Schaufel 12 zu bringen. Um die Kammern 14 und 16 herum ist eine reduzierende Atmosphäre, im vorliegenden Falle Wasserstoffgas, vorgesehen, wobei man es ermöglicht, daß das Wasserstoffgas gemäß den in Fig. 1 gezeigten Pfeilen durch die Kammern 14 und 16 strömen kann. So führt man z. B. Wasserstoffgas in den Einlaß 18 ein, der mit dem Gasauslaß 20 zusammenarbeitet, um eine Wasserstoffströmung in die Retorte und die Strömung dieses Gases und der Reaktionsprodukte aus der Retorte durch den Auslaß 20 sicherzustellen. Ordnet man die Retorte in einem durch die gestricnelte Linie 21 dargestellten Ofen an, dann tritt Wärme durch die Wandungen der Retorte in die Kammern 14 und 16 ein.

In einem typischen Beispiel, bei dem man die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung benutzte, wurde eine Turbinenschaufel aus einer Superlegierung auf Nickelbasis, die in der US-PS 36 15 376 beschrieben ist, in der Retorte angeordnet um die komplexen Oxide, die sich in einem Riß des Flügels bzw. der Schaufel gebildet hatten, zu beseitigen. Die Legierungszusammensetzung enthielt in Gew.-%: 3 Al und 5Ti₁ die zusammen mit Elementen, wie Chrom, Kobalt und Nickel beständige und komplexe Oxide bilden können. In diesem Beispiel bestand das Quellenmaterial für das Fluorion aus CrF₃ + 3,5 H₂O, das beim Erhitzen in Wasserstoff HF erzeugt der die eigentliche Quelle des gasförmigen aktiven Fluorions war. Es können jedoch auch andere Arten von Chromfluoriden in diesem besonderen Beispiel eingesetzt werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren muß das Erhitzen so erfolgen, daß die Temperatur in Gegenwart der aktiven Fluoridionen nicht 1095° C übersteigt Es wurde nämlich festgestellt, daß oberhalb einer Temperatur von 1095° C die Fluoridionen vorzugsweise die Korngrenzen der Superlegierung auf Nickelbasis angreifen, was zu einer strukturellen Beschädigung der Legierung führt In diesem besonderen Beispiel erfolgte das Erhitzen für etwa 1 bis 2 Stunden auf eine Temperatur im Bereich von etwa 870 bis etwa 98O⁰C. Während dieser Dauer wurden die komplexen Oxide aus dem Spa!t in dem Gegenstand entfernt

Die Untersuchung der Spaltoberflächen vor und nach dem Reinigen wurde auf einer Vorrichtung zum elektronenmikroskopischen Abtasten ausgeführt Das typische Spaltaussehen und die chemischen Zusammensetzungen, die dabei ermittelt wurden, sind in den graphischen Darstellungen der F i g. 2 und 3 gezeigt Die Aufnahme der F i g. 2 zeigt das Ergebnis des elektronenmikroskopischen Abtastens einer typischen Legierungsspaltoberfläche vor dem Reinigen und zeigt den relativ hohen Al- und Ti-Gehalt aufgrund der Anwesenheit der komplexen Oxide, die diese Element enthalten. Zu Vergleichszwecken wurde auch das Ergebnis des elektronenmikroskopischen Abtastens einer solchen Spaltoberfläche nach der Reinigung mit aktivem Fluoridion gemäß der Erfindung in F i g. 3 gezeigt Man kann dabei feststellen, daß durch die Reinigung relativ große Mengen an Al und Ti von der Oberfläche entfernt wurden. Enge Spalten mit öffnungen von eiwa 0,025 mm an der Oberfläche, deren Wandungen bis zu etwa 1,2 bis 1,3 mm in den Gegenstand hinein verlaufen, sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgreich von Oxiden gesäubert worden.

Eine weitere Maßnahme des erfindungsgemäßen Verfahrens ist neben der Reinigung die eigentliche Reparatur eines Spaltes in einem Gegenstand einer Superlegierung auf Nickelbasis nach dem Säubern. Eine Ausführungsform einer solchen Reparatur, die im Zusammenhang mit der Erfindung untersucht worden ist, schließt nach dem Reinigen das Anordnen einer

J-i

pulverförmigen Reparaturlegierung in dem Spalt und auf der umgebenden Oberfläche des Gegenstandes ein. Eine solche Anordnung ist fragmentarisch in diagrammartiger Ansicht in Fig.4 gezeigt, in der eine pulverförmige Reparaturlegierung 22 über dem gereinigten Riß 24 in der Substraglegierung 26 angeordnet ist. So wurde z. B. ein Riß 24 in einer Superlegierung 26 unter Verwendung einer Reparaturlegierung 22 repariert, die in der US-PS 37 59 692 beschrieben ist.

Diese Legierung bestand im wesentlichen aus folgenden Bestandteilen in Gew.-%: 15 Cr, 10 Co, 3 Al₁ 3Ta, 2,5B und als Rest Nickel. Bei diesem Beispiel wurde der Gegenstand mit dem Riß gemäß Fig.4 zusammen mit der pulverförmigen Reparaturlegierung über der Rißöffnung in einem Vakuumofen angeordnet. Zuerst wurde ein hohes Vakuum angelegt, z. B. etwa 10~³ Pa und dadurch jegliche Atmosphäre, wie Luft, aus dem Riß 24 und anderen Teilen der Vakuumkammer entfernt Dann erhitzte man Gegenstand und Reparaturlegierungspulver auf eine Temperatur, die ausreichte, die Reparaturlegierung 22 zu schmelzen und sie unter den Vakuumbedingungen in den Riß 24 fließen und dessen Wandungen benetzen zu lassen, so daß der Riß 24 abgedichtet wurde und die Legierung in das Substrat 26 diffundieren konnte. Auf diese Weise wurde eine Diffusionsheilung des gesäuberten Spaltes erreicht Bei dem vorliegenden Beispiel wurde eine Temperatur von etwa 1205⁰C benutzt, die unterhalb des beginnenden Schmelzpunktes der reparierten Legierung liegt Die Untersuchung des Gefüges innerhalb und benachbart des Spaltbereiches nach der so erfolgten Behandlung zeigte ein vollständiges Benetzen und Ausfüllen des Spaltes durch die Reparaturlegierung. Das Testen von so reparierten Turbinenschaufein bzw. -flügeln zeigt, daß das Reparaturverfahren die Schaufeln wiederverwendbar gemacht hat

Eine andere Ausführungsform des Reparaturverfahrens, die zusammen mit der erfindungsgemäßen Reinigung unter Verwendung von gasförmigen Fluoridionen angewendet wird, bedient sich des isostatischen

Heißpressen. Wie in der US-PS 37 58 347 beschrieben, können an der Oberfläche vorhandene Diskontinuitäten in einem Gegenstand repariert werden, indem man zuerst die Oberflächenöffnungen solcher Diskontinuitäten ausreichend verschließt, um das Eindringen des

ίο nachfolgend angewendeten, Druck ausübenden Strömungsmittels, wie eines Gases, zu verhindern. Dann wird mittels des Strömungsmittels Wärme in Kombination mit Druck gleichförmig auf den Gegenstand angewandt, so daß ein Kriechen des Metalls des Gegenstandes bei der Erhitzungstemperatur stattfindet. Preßt man den Gegenstand unter diesen Bedingungen von Temperatur und Druck für eine ausreichende Zeit zusammen, dann findet eine Diffusionsverbindung der Wandungen der Diskontinuität, wie eines Spaltes oder Risses, statt

Während der Auswertung der Erfindung wurde ein Versuch unternommen, einen Spalt in einem Gasturbinenbauteil aus einer Legierung auf Kobaltbasis zu reparieren. Diese Legierung besteht nominell aus folgenden Bestandteilen in Gew.-°/o: 25 Cr, 2 Fe, 10,5 Ni, 7,5 W und als Rest Co. Nach der Reinigung gemäß der Erfindung mit den gasförmigen aktiven Fluoridionen stellte man um die Karbide in den Korngrenzen herum einen Angriff auf die Korngrenzenmatrix fest Ein solcher Angriff erfolgt bei verschiedenen Temperaturen im Bereich von etwa 925 bis etwa 1065⁰C und es wird angenommen, daß dies in Beziehung steht zu dem geringen Chromgehalt an dieser Stelle und der Abwesenheit von Aluminium und/oder Titan, die in den Superlegierungen auf Nickelbasis vorhanden sind, auf die das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Reparieren eines schmalen Risses in der Oberfläche eines Gegenstandes aus einer Superlegierung auf Nickelbasis, wobei der Riß an der Oberfläche eine öffnung im Bereich von etwa 0,025 mm bis zu etwa 2,5 mm hat und ein komplexes Oxid von mindestens einem der Metalle Aluminium oder Titan enthält, gekennzeichnet durch die folgenden Maßnahmen:

Einwirkung von gasförmigen aktiven Fluoridionen auf das Oxid, während der Gegenstand auf eine Temperatur von nicht mehr als 1095° C erhitzt wird, Aufbringen einer pulverförmigen Reparaturlegierung in den Riß und auf die umgebende Oberfläche des Gegenstandes,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand während einer V₄ bis zu 4 Stunden auf eine Temperatur von 870 bis 1095⁰C erhitzt wird.

3. Verfahren zum Reparieren eines schmalen Risses in der Oberfläche eines Gegenstandes aus einer Superlegierung auf Nickelbasis, wobei der Riß an der Oberfläche eine öffnung im Bereich von etwa 0,025 bis etwa 2,5 mm hat und ein komplexes Oxid von mindestens einem der Metalle aus Aluminium oder Titan enthält, gekennzeichnet durch die folgenden Maßnahmen:

Einwirkung von gasförmigen aktiven Fluoridionen auf das Oxid, während der Gegenstand auf eine Temperatur von nicht mehr als 1095°C erhitzt wird, druckdichtes Verschließen dev öffnung des Risses an der Gegenstandsoberfläche und
Diffusionsverbinden der Wandungen des Risses mittels isostatischen Heißpressens.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand während einer V₄ bis zu 4 Stunden auf eine Temperatur von 870 bis 1095⁰C erhitzt wird.